金属材料讲义

1、金属材料基本知识讲义第四章 钢铁的基本知识一、金属和合金知识1、已发现的化学元素有107种，其中83种是金属元素，约占4/5。此83种金属元素中有71种是天然元素，其余12种是人造元素。（图1）元素周期表 0 11氢 H 化学元素周期表2氦 He  23锂 Li 4铍 Be 5硼 B 6碳 C 7氮 N 8氧 O 9氟 F 10氖 Ne  311钠 Na 12镁 Mg 13铝 Al 14硅 Si 15磷 P 16硫 S 17氯 Cl 18氩 Ar  419钾 K 20钙 Ca 21钪 Sc22钛 Ti23钒 V 24铬 Cr25锰 Mn26铁

2、Fe27钴 Co28镍 Ni29铜 Cu30锌 Zn31镓 Ga32锗 Ge33砷 As34硒 Se35溴 Br36氪 Kr 537铷 Rb38锶 Sr39钇 Y 40锆 Zr41铌 Nb42钼 Mo43锝 Tc44钌 Ru45铑 Rh46钯 Pd47银 Ag48镉 Cd49铟 In50锡 Sn51锑 Sb52碲 Te53碘 I 54氙 Xe 655铯 Cs56钡 Ba*镧系72铪 Hf73钽 Ta74钨 W 75铼 Re76锇 Os77铱 Ir78铂 Pt79金 Au80汞 Hg81铊 Tl82铅 Pb83铋 Bi84钋 Po85砹 At86氡 Rn 787钫

3、Fr88镭 Ra*锕系 104Rf 105Db106Sg 107Bh 108Hs 109Mt 110Uun 111Uuu 112Uub 113Uut 114Uuq 115Uup 116Uuh 117Uus 118Uuo *镧系元素57镧 La58铈 Ce 59镨 Pr60钕 Nd61钷 Pm62钐 Sm 63铕 Eu 64钆 Gd 65铽 Tb 66镝 Dy 67钬 Ho 68铒 Er 69铥 Tm 70镱 Yb 71镥 Lu *锕系元素89锕 Ac 90钍 Th 91镤 Pa 92铀 U 93镎 Np 94钚 Pu 95镅 Am 96锔 Cm 97锫 Bk 98锏 Cf 99锿 Es 100

4、镄 Fm 101钔 Md 102锘 No 103铹 Lr 2、金属材料的性能主要包括：（1）机械性能：包括强度、硬度、塑性、韧性等。（2）物理性能：密度、比重、熔点、导热性、热膨胀性、磁性和耐磨性等。（3）化学性能：抗腐蚀性、抗氧化性；（4）工艺性能：铸造性、焊接性、可锻性、切削加工性等；金属材料广泛应用于生产生活中，是由于其具有良好的机械性能、物理性能、化学性能，同时具有良好的工艺性能。金属材料的各种性能是由其化学成份和其内部组织结构决定的。3、固态金属从外观所得到的主要特性表现在：不透明，有光泽，有延展性，有良好的导电性和导热性。4、合金的概念：由两种或两种以上的金属元素，或金属元素与非金

5、属元素组成的具有金属特性的物质称为合金。工业上应用广泛的碳钢和铸铁主要是由铁和碳组成的。举例：铜的分类：（1）紫铜：纯铜；（2）青铜：最早：铜锡铅合金；无锡青铜：铝青铜 锰青铜 硅青铜。（3）黄铜：铜锌合金；（4）白铜：铜镍合金；5、合金与纯金属的性能区别合金与纯金属相比，除具有更高的机械性能外，有的还可能具有磁性、耐蚀性等特殊的物理化学性能。通过调节其组成的比例，可以获得不同成分、不同性能的合金，以满足实际生产需要。6、组元的概念元：组成合金的最基本的、独立的物质称为组元或简称为元。由两个组元组成的合金称为二元合金；由三个组元组成的合金称为三元合金，由三个以上组元组成的合金则称为多元合金。7

6、、相的概念相是指合金中具有同一化学成份，同一结构和原子聚集状态，并以界面而互相分开的，均匀的组成部分。固态合金中的基本相结构为固溶体和金属化合物。8、固溶体的概念如果组成合金的两元素，不仅在液态时能互相溶解而且在固态时仍能相互溶解，当一种基体金属在固态下溶有其它元素的原子组成一种仍具有基体金属晶格的金属晶体，这种金属晶体称为固溶体。9、金属化合物的概念是合金组元间发生相互作用而形成的一种新相，又称之为中间相，其晶格类型及性能均不同于任一组元，一般可以用分子式来大致表示其组成。碳素钢中的渗碳体Fe3C就是一种金属化合物；金属化合物的特点：具有较高的熔点、较高的硬度及较大的脆性；当合金中出现金属化

7、合物时，将使其强度、硬度及耐磨性提高，但将使其塑性降低。10、合金的机械性能和物理性能取决于其化学成份和组织结构。二、合金元素在钢中的作用1、合金钢的概念为了提高钢的某些性能或使其获得某种特殊性能，在钢中人为加入一定量的某一种或几种其它元素而形成的钢称之为合金钢。碳钢中的五大常存元素是碳（C）、锰（Mn）、硫（S）、磷（P）、硅（Si）。合金钢中常加入的元素有：铬（Cr）、钼（Mo）、钒（V）、镍（Ni）、钨（W）、钛（Ti）、硅（Si）、锰（Mn）、铜（Cu）、 铌（Nb）、硼（B）、稀土元素（Re）等。2、不同的元素在合金钢中所起的作用是不同的：常用合金元素在合金钢中的主要作用序号金属元素

8、在合金钢中的作用及作用原理备注1锰（Mn）（1）是脱氧剂，能清除钢中的二氧化铁（FeO2）；（2）能与硫（S）化合形成硫化锰（MnS），消除S的危害作用，提高热加工性能；（3）在常温下Mn能溶于铁素体中，提高强度；2硅（Si）（1）强脱氧剂；能与FeO作用而形成SiO2；（2）在室温下溶入铁素体中能提高强度；3硫（S）（1）是有害杂质元素，S在钢中以FeS存在，FeS与Fe形成低熔点共晶体（熔点为985），当钢在1200左右进行热加工时，分布于晶界的低熔点共晶体将因此熔化而开裂，这种现象称“热脆”。解决办法：在钢中增加Mn的含量；（2）能改善钢材的切削加工性能。4磷（P）（1）有害杂质元素；P

9、能溶于铁素体中，使其强度、硬度提高，塑性韧性则显著降低，尤其是在低温时更为严重，这种现象称为“冷脆”。（2）可提高钢的切削加工性能；5铬（Cr）（1）与C的亲和力强，能与其形成碳化物，提高强度；（2）提高钢的抗氧化能力和耐腐蚀能力，并能提高钢的渗透性、耐磨性、回火稳定性。（3）一定含量之内，能提高钢的持久强度和蠕变极限。6钼（Mo）（1）熔点高，能通过强化固溶体来提高钢的耐热性；（2）Mo在冷却速度大时能形成一定数量的贝氏体，并消除自由铁素体的形成，有利于提高钢的热强度。此外还能提高钢在高温下的抗松驰性。7钒（V）（1）与C亲和力强，与C形成的碳化物呈细小均匀弥散分布，能细化钢的组织和晶粒，降

10、低钢的过热敏感性。（2）提高钢的抗拉强度和韧性；（3）含量不高时能提高钢的热强性。（4）能促使Cr、Mo、W等元素更多地溶入固溶体，使固溶体得到强化。8钛（Ti）（1）与C结合能力强，形成的碳化物TiC性质稳定。能阻碍晶粒长大，细化晶粒，从而提高钢的强度和持久强度，改善钢的塑性。（2）含钛量大于0.75%时，会使钢的室温塑性和韧性显著降低，并产生严重脆化现象。所以应严格控制其含量。9钨（W）（1）提高钢的再结晶温度，增加钢的回火稳定性；（2）能阻止晶粒长大，细化晶粒。10镍（Ni）（1）细化晶粒，强化铁素体，改善韧性特别是低温韧性；（2）提高钢的强度和塑性；11铌（Nb）（1）与钒性能相似，在

11、高温下性能稳定，能提高蠕变极限和持久强度。（2）能提高再结晶温度，提高强度。三、金属材料的机械性能1、金属材料的机械性能主要是指强度、硬度、塑性和韧性。2、（1）强度：是指金属材料在外力作用下抵抗变形和破坏的能力。强度的主要指标：屈服强度s、抗拉强度b。屈服强度s（又称屈服极限）：材料承受的载荷不再增加而仍继续发生塑性变形时的应力叫“屈服极限”或“屈服强度”。Ps材料屈服时的载荷；F0试样的原始截面积；抗拉强度b：钢材抵抗拉力破坏作用的最大能力称为，又称“强度极限”。 Pb材料所能承受的最大载荷（2）硬度：是指金属材料抵抗硬物压入其表面的能力，用来表示材料的坚硬程度。常用的硬度测定方法有布氏硬

12、度法（HB）、洛氏硬度法（HRC）、维氏硬度法（HV）、里氏硬度法（HLD）等。根据经验，合金钢布氏硬度值与抗拉强度之间的换算关系：b=0.33HB 适用于硬度为HB=250400的经过热处理的合金钢。b=0.30HB 适用于硬度为HB250的经过热处理的合金钢和碳钢。b=0.34HB 适用于轧制、正火或退火状态的中碳钢。b=0.36HB 适用于轧制、正火或退火状态的低碳钢。（3）塑性：是指金属材料在外力作用下，产生最大塑性变形（又称永久变形）而不破坏的能力。塑性的主要指标：延伸率（），断面收缩率（）延伸率：是试样拉断后用标距增长量L1L0与原始标距长度L0比值的百分率。即：断面收缩率（）：是

13、用试件断口面积的增减量与原截面面积之比比值的百分率来表示。即：延伸率和断面收缩率越大，则金属材料的塑性越好。（4）韧性：是指材料在外加冲击负荷作用下，断裂时吸收能量大小的特性，它表示材料对冲击负荷的抗力。主要指标：冲击韧性k冲击韧性k与两个方面有关：一是试样的尺寸和缺口形式；二是试验温度；3、高温强度高温强度主要是指钢材在高温条件下的机械性能。钢材的机械性能随着温度的升高，强度、硬度下降，而塑性、韧性升高。高温强度主要指标有：蠕变极限、持久强度、应力松驰。（1）蠕变：钢材在高温下长时应力作用下，即使所加应力小于该温度的屈服极限，钢材也会逐渐产生明显的塑性变形，称这种现象为蠕变；蠕变形象对于高温

14、下长期工作的零部件来说是普遍现象。蠕变过程用蠕变曲线来表示：条件蠕变极限：实际生产过程中，规定在一定温度下和规定时间间隔内使试样产生规定的伸长率或在蠕变曲线直线部分产生规定蠕变速度时的应力称为条件蠕变极限。蠕变极限的表示方法：在代表应力符号右下角用一分式标明总变形量和规定的时间，分式的分子为总变形扩大100倍，分母表示所规定的时间，例如：1/104 表示经1万小时总变形量为1%时的所对应的应力。（2）持久强度：是指钢材在给定温度、给定应力和规定时间，引起断裂时的应力。持久强度表示一定温度和一定应力下抵抗断裂的能力，能支持时间越久，则材料在高温下抗断裂能力越大。持久强度的表示方法为：在代表应力符

15、号的的右下角注明规定的断裂时间。例如1万、10万、20万小时的持久强度分别表示为104、105、2×105。持久强度是耐热钢强度计算的主要指标之一。（3）应力松驰高温下金属材料如承受很大应力，初始材料只与所受应力产生对应的弹性变形，以后随着时间的增长，在变形量维持不变的条件下，一部分弹性变形逐渐转变为塑性变形，从而使应力不断减低，这种现象称为应力松驰。第五章 工业用钢一、钢的分类1、按用途分类按钢材的的用途可划分为：结构钢、工具钢、特殊性能钢三大类；结构钢用于制造各种机器零件及工程结构。制造机器零件的钢还可以区分为渗碳钢、调质钢、弹簧钢、滚动轴承钢等。工程结构钢分为甲类钢、乙类钢、特

16、类钢及普通低合金钢。工具钢按用途又分为刃具钢、模具钢和量具钢。特殊性能钢是指具有特殊物理和化学性能的钢，例不锈钢、耐热钢、耐磨钢和磁钢等。2、按化学成分分类分类碳素钢和合金钢两大类。碳素钢分为： 低碳钢 含碳量0.25%。 中碳钢 含碳量0.250.6%。 高碳钢 含碳量0.6%。合金钢分为： 低合金钢 合金含量5%。 中合金钢 合金含量510%。 高合金钢 合金含量10%。3、按显微组织分类钢的显微组织因处理方法的不同而不同：退火状态下：有亚共析钢、共析钢、过共析钢及莱氏体钢。淬火状态下：有珠光体钢、贝氏体钢、马氏体钢及奥氏体钢。4、按品质分类主要以钢中的硫、磷含量来区分，可分为：普通钢：含

17、S0.055%，含P0.045%；优质钢：含S、P0.040%；高级优质钢：含S0.030%，含P0.035%；二、钢的编号1、我国的钢材编号我国的钢材编号采用国际化学符号和汉语字母并用的原则即：钢号中化学元素采用国际化学符号来表示，如Cr、Mo、V、Ni、Ti、W等，稀土元素用Re表示。产品名称、用途、冶炼和浇注方法等，用汉语拼音的缩写字母表示（见表5-1）。（1）普通碳钢普通碳钢按技术条件分类甲类钢、乙类钢和特类钢，分别用A、B、C表示，其后附有0、1、27，数字越大，含碳量越高，强度指标越高，但塑性、韧性指标越低。钢的冶炼方法一般在钢类及顺序号之间加入代表冶炼方法的字母，如AJ3表示“3

18、号碱性甲类钢”。平炉钢则一律略去字母P，如A3、B3、C3分别表示三号平炉甲类钢、三号平炉乙类钢和三号平炉特类钢。（2）优质碳钢钢号用两位数字表示。这两位数字表示含C量的万分之几，如45钢表示钢中平均含C量为0.45%。含锰较高的钢，须将锰元素标出，如平均含C量为0.5%、含锰量为0.71.00%的钢，其钢号为50Mn。沸腾钢、半镇静钢以及专门用途的优质碳素结构钢，应在钢号中特别标出，如“20g”表示平均含碳量为0.2%的锅炉用钢。（3）碳素工具钢在钢号前加“碳”或“T”表示碳素工具钢，后跟表示含C量为千分之几的数字，如T8表示平均含C量为0.8%的工具钢。含锰量较高者，在钢号后加“锰”，如T

19、8Mn。如为高级优质钢，则在钢号后加“高”或“A”，如T8A。（4）合金结构钢钢号由三部分组成，即“数字+元素+数字”，前面的两位数字表示含C的万分之几，合金元素用化学符号表示，后面的数字为合金元素的含量，以百分之几表示。当合金元素低于1.5%时，一般只标出元素不标含量，大于1.5%，须标出2、3、4，如36Mn2Si表示平均含C量为0.36%、锰1.51.8%、硅0.40.7%的钢。（5）不锈钢与耐热钢不锈钢：钢号前面的数字表示含碳量的千分之几，如9Cr18表示含C量为0.9%。但含C量0.03%及0.08%者，在钢号前分别加“00”及“0”，如00Cr18Ni10、0Cr18等。耐热钢：钢

20、号前面的数字表示含碳量的万分之几，钢中主要合金元素以百分之几表示，如12Cr2Mo表示含C量为0.12%，含Cr量为2%。2、其他国家的钢材编号因国外钢材分类多且编号方法复杂，具体各种分类方法此处不再多述。了解几个标准名称：ASME标准美国机械工程师协会标准；ASTM标准美国材料试验协会标准；AISI标准美国钢铁学会标准；JIS标准日本工业标准；DIN标准德国标准化学会标准；三、钢的使用1、结构钢（1）用于工程结构的钢大多为碳钢，有少量普通低合金钢。（2）用于机器零件的钢多为优质钢及高级优质钢，除碳钢外，还有低、中合金钢。（3）优质结构钢的特点：S、P含量低，按用途分为渗C钢、调质钢、弹簧钢及

21、滚动轴承钢等。根据化学成分不同分为C钢和合金钢，合金结构钢按其所含合金元素分为锰钢、铬钢、硼钢等等。2、工具钢主要用于制作各种切削工具、冷热变形模具以及量具。工具钢分为碳素工具钢、合金工具钢和高速钢三类，按用途分为刃具钢、模具钢和量具钢。3、特殊性能钢主要分为不锈耐酸钢、耐热不起皮钢、耐磨钢和磁钢等，重点介绍不锈耐酸钢和耐热钢。（1）不锈耐酸钢分不锈钢和耐酸钢。能抵抗大气腐蚀的钢称为不锈钢。在一些化学介质中能抵抗腐蚀的钢称为耐酸钢，一般统称为不锈钢。一般不锈钢不一定耐酸，但耐酸钢往往具有较好的不锈性能。防止金属腐蚀的一些基本途径：加入合金元素，提高钢基体的电极电位，以增加抗电化学腐蚀能力。一般

22、加入Cr、Ni、Si能提高钢的电极电位。加入合金元素使钢在室温下能以单相状态存在，以免形成双极。加入合金元素使钢能在表面形成钝化膜，以提高其耐蚀能力。一般加入Cr、Si、Al等。减小与消除钢中的各种不均匀现象（组织的、化学成份的、应力的）。覆盖层防护，如电镀、涂漆、发蓝、磷化等。（2）不锈钢中常用合金元素的作用C及合金元素的作用：合金元素使组织均匀，提高电极电位，在钢的表面形成钝化膜，提高其耐蚀性。Cr：能提高钢的电极电位，是决定不锈钢耐蚀性的主要元素。Ni：在不锈钢中能形成稳定的奥氏体组织，多与Cr合用，以获得奥氏体，使钢具有好的耐蚀性及良好的形变和焊接性能。Mo：能弥补铬的钝化不足而增加耐

23、蚀性，在某些情况下还能提高铬镍不锈钢的抗晶间腐蚀能力。Cu：能提高铁素体铬不锈钢在某些还原性介质中的耐蚀性并改善其韧性。C：在不锈钢中将与铬形成碳化物，含C量越高，形成的碳化铬越多，造成固溶体中含铬量越低，使钢的耐蚀性下降。（3）不锈钢的分类及用途按其组织特点分为马氏体钢、铁素体钢、奥氏体钢、奥氏-铁素体钢和沉淀硬化钢。马氏体型不锈钢：此类钢含有13%18%的铬、0.11.0%的碳。含C量高，强度、硬度、耐磨性提高，主要用于机械性能要求高、耐蚀性要求低的部件，如汽机叶片、医疗器械等。铁素体不锈钢：含铬量1230%、含C量低于0.15%，有时还加入Mo、Ti、Si、Nb等元素，是单相铁素体组织，

24、有很好的抗氧化性、塑性较高，主要用于硝酸、氮肥等化工行业。奥氏体不锈钢：是应用最广泛的不锈钢，一般为含Cr量18%、含Ni量为9%的18-8型不锈钢。此类钢有很好的耐蚀性，有较好的室温及低温韧性、塑性及焊接性。奥氏体-铁素体不锈钢：在18-8型不锈钢的基础上，提高含Cr量或加入其它元素形成双相不锈钢。此类钢具有良好的耐蚀性及焊接性、韧性。沉淀硬化不锈钢：用于制作高强度、高硬化及高耐蚀性的零件。（4）耐热钢包括抗氧化钢及热强钢。高温下有较好的抗氧化性、而强度要求不高的钢为抗氧化钢；高温下有一定的抗氧化能力及较高强度的为热强钢。（5）常用耐热钢中合金元素的作用常用合金元素中，Cr、Mo、Si主要用来提高钢的抗氧化性，而Cr、Ni、Mo、W、V、Mn则用来提高钢的高温强度。Cr、Al、Si加入钢中能使其在加热时形成致密的氧化膜，提高钢的抗氧化性。此外，Cr还能提高钢的再结晶温度，提高其高温强度